石墨烯化聚合物的合成和应用

石墨烯是由纯粹的sp2碳组成的二维蜂窝状结构,具有良好的导电导热性;聚合物是由某些小分子结构单元组成的链状或网状大分子,包含大量氢,氧,氮等杂原子或大量功能基团.由于石墨烯具有超大比表面积和优异的电学性能,国内外学者投入了大量精力开发基于石墨烯的高性能储能器件,包括锂离子电池和超级电容器.同时,由于微孔聚合物具有高度可控的结构和超大比表面积,这种新型的聚合物可望广泛应用于气体存储、催化及传感领域.近年来,结构介于石墨烯和聚合物之间的一系列过渡型材料受到广泛关注,迅速成为能源等领域特别是储存领域的研究热点.这类材料同时具有石墨烯单元结构和聚合物片段及功能.但与传统的石墨烯/聚合物复合材料比较,这类材料中的石墨烯结构是由聚合物前驱体及聚合物本身在较高的温度下经过脱氢、重构、稠环化等苯环化学的成键反应逐渐长大而形成的;或者通过石墨烯的化学打孔、化学功能化、化学片段化逐渐形成的石墨烯与聚合物共存的独特结构.这些形成的石墨烯单元被有机链或片段相互连接,形成各式各样的带有化学功能的多孔结构与网络结构,这种独特的结构同时拥的良好的电子传输通道和离子传输通道,是二者的有机结合体,在能源储存等领域表现出极大的应用潜力.本文将这种具有独特结构的石墨烯片段与聚合物片段共同组成的结合体称之为石墨烯化聚合物(graphenal polymer),名称的准确与否还要聚合物界前辈与同仁一起决定.本文结合本课题组这几年来在这一领域的工作思路以及其他的部分本领域同行报道的一些工作进展,集中讨论石墨烯化聚合物的合成方法及其在储能领域的潜在应用.     

基于石墨烯基材料的非金属液相催化反应

非金属碳基催化剂因其具有合成简单、结构稳定、比表面积大、可调控性强等特点受到了研究者的关注,已成为最活跃的研究领域之一。以二维、单原子层、六方结构的碳为基础的石墨烯和其高度氧化形态——氧化石墨烯是一类新兴的碳基材料。这类材料在催化领域的应用在近五年内才刚刚兴起。此类材料可用于烃类转化、有机化学合成、能源转化等多种催化反应,本文主要综述了采用化学氧化还原法制备的石墨烯和氧化石墨材料为催化剂的各类催化反应的最新研究进展。     

导电二维配位聚合物框架材料在能源存储及转化领域的应用

配位聚合物框架材料具有高的比表面积、丰富的孔结构和金属配位中心,一直以来被视为能源领域的潜在电极材料。传统配位聚合物框架材料电导率低,因此,如何设计并合成具有一定导电性的配位聚合物框架材料,满足能源及其相关领域对于材料电学性质的要求,成为配位聚合物框架材料领域的研究热点方向之一。本综述介绍了近年来导电二维配位聚合物框架材料的设计思路及电导率测量方法,并对这类材料的制备及其在能源转化及存储方面的应用进行了总结。最后,对二维高导电配位聚合物今后的研究和发展方向进行了展望。     

基于石墨烯修饰电极的电化学生物传感

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳纳米材料,具有大的比表面积、高的导电性和室温电子迁移率,以及优异的机械力学性能.石墨烯还具有电化学窗口宽,电化学稳定性好,电荷传递电阻小,电催化活性高和电子转移速率快等电化学特性.化学修饰石墨烯,特别是氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO),可以被宏量、廉价地制备出来.它们具有可加工性能,可以被组装、加工或复合成具有可控组成和微结构的宏观电极材料.因此,石墨烯及其化学修饰衍生物是用于电化学生物传感的独特而诱人的电极材料.例如,GO是一种化学修饰石墨烯,也是石墨烯的重要前驱体;其边缘具有大量的羧基可用于共价固定酶,从而能实现酶电极的生物检测.在GO上的不可逆蛋白吸附也可以促进蛋白质的直接电子转移以提高其电化学检测性能.但是,GO大量的含氧官能团破坏了石墨烯本征的共轭结构,降低了其电学性能并限制了其实际应用.GO可以通过化学、电化学、热还原等技术转化成rGO,从而能部分修复其共轭结构,提高其导电性与传感性能.另一方面,石墨烯是一种零带隙材料;原子掺杂可以调控其能带结构,提高其电催化性能.石墨烯材料也常常需要通过与其它功能材料的复合进一步改善其可分散与可加工性能,提高其电催化活性和电化学选择性.本文综述了本征石墨烯(包括GO,rGO和掺杂石墨烯)以及石墨烯与生物分子、高分子、离子液体、金属或金属氧化物纳米粒子等复合材料修饰电极在检测各种生物分子方面的研究进展,并对该研究领域进行了展望.     

自支撑单原子膜电极在能源电催化中的应用

单原子催化剂的催化活性高, 稳定性强, 原子利用率高, 在能源电催化领域已被广泛研究. 然而, 粉末状(颗粒状)单原子催化材料存在工作电极制备过程复杂、 黏结剂添加降低导电性且占据催化材料的体积、 活性位点易被包埋等问题, 在作为电极材料催化能源转化过程时, 载量通常小于1 mg/cm², 反应电流密度不高于100 mA/cm². 与单原子催化剂相比, 自支撑单原子膜电极不仅具有单原子催化剂的诸多优势, 同时展现出整体式电极的特点, 例如无需添加黏结剂、 导电性好、 单原子活性位点暴露率高、 形貌与孔结构可调控等, 在大电流电催化反应、 高能量高功率密度电池等领域拥有应用前景. 本文综合评述了面向能源电催化应用的自支撑单原子膜电极的研究进展, 讨论了自支撑单原子膜电极的优势, 总结了自支撑单原子膜电极的合成方法, 包括自支撑基底上原位制备法、 静电纺丝法、 自组装法、 化学气相沉积与固相扩散法等, 介绍了其在析氢反应、 析氧反应、 电化学制过氧化氢反应、 锌空电池、 二氧化碳还原反应及锂硫电池中的应用, 并对该类电极的发展方向进行了展望.     

一步碳化多孔有机材料制备多孔碳及其性能的研究

开发并利用清洁的、可再生的能源是解决环境污染问题和能源短缺的有效方法.碳化含碳量较高的多孔有机材料制备的多孔碳,具有较高的比表面积,良好的物化稳定性,优良的机械性能等优点,在清洁能源的存储、分离、能量的存储与转化领域有广泛的应用.常见的由多孔有机材料制备多孔碳的方法主要是非活化碳化法和活化碳化法.不同的制备方法得到的多孔碳形貌,孔结构各不形同.多孔碳材料自身的结构性质可以影响其应用.合理的设计并调控多孔碳的“孔”,发挥孔尺寸的“筛分效应”可以有效地对气体进行存储和分离.在锂电等能量转化领域,“限域效应”是影响锂电性能的重要因素.多孔碳材料中较小的孔可以限域活性成分,而较大的孔可以快速传输,两种孔的协同效应可以使锂电性能大大提升.本综述系统地归纳了一步碳化多孔有机材料制备多孔碳的方法及其优势,详细地介绍了其在气体吸附、存储、分离以及电化学等领域的应用.最后,结合多孔碳材料的研究现状,提出由多孔有机材料制备多孔碳材料所面临的挑战,同时也展望了多孔碳材料的应用前景.     

含异原子石墨炔基电极材料的研究进展

碳材料具有价格低廉、 易制备、 环境友好、 导电性高、 比表面积大以及适合离子存储和迁移等优点, 已成为目前应用于电化学储能器件电极的重要材料之一. 石墨炔(GDY)是一种新型的二维碳同素异形体, 由sp²碳杂化形式的苯环和sp碳杂化形式的炔键构成. 这种独特的化学结构一方面保持了碳材料良好的导电特性, 另一方面形成了新颖的离子传输通道, 为碳材料带来了不同的离子传输和存储特性. 与此同时, 由于石墨炔的空间结构可调性, 可以通过引入异原子微调石墨炔电子结构, 拓展石墨炔在电极材料领域的应用. 本文重点对近几年异原子杂化石墨炔基电极材料在锂离子电池、 钠离子电池、 金属硫电池、 电容器、 金属空气电池和电极保护等储能领域的研究工作进行总结, 并对未来石墨炔类材料在储能领域的发展进行了展望.     

新型碳材料——石墨烯的制备及其在电化学中的应用

作为单原子厚度的二维碳原子材料,石墨烯由于其特殊的结构和物化性能而成为目前碳基材料中的一个研究热点。本文主要介绍了石墨烯及其复合纳米材料制备的一些新方法。结合石墨烯优良的导电性和生物相容性,论述了石墨烯在电化学分析领域,以及电催化、超级电容器和电化学电池等方面的应用。     

新型碳材料——石墨烯的制备及其在电化学中的应用

作为单原子厚度的二维碳原子材料,石墨烯由于其特殊的结构和物化性能而成为目前碳基材料中的一个研究热点.本文主要介绍了石墨烯及其复合纳米材料制备的一些新方法.结合石墨烯优良的导电性和生物相容性,论述了石墨烯在电化学分析领域,以及电催化、超级电容器和电化学电池等方面的应用.     

碳点的制备及电化学能源应用进展

碳点是零维纳米碳材料的一种典型代表,由碳原子sp²/sp³杂化构成且尺寸通常小于10 nm.碳点独特的尺寸效应赋予其丰富的边缘活性位点和易于功能化调控等特性,在电催化、能源存储与转化等领域表现出广阔的应用前景.基于此,揭示碳点的形成机制及阐明其结构与性能的基本规律,以指导碳点的合成并获得优异的催化性能具有重要意义.本文在介绍碳点制备及调控策略的基础上,结合理论研究分析了碳点类催化材料活性的来源,并着重评述了碳点在电化学领域的最新应用进展,探讨了功能碳点材料未来发展的机遇与挑战.     

导电高分子的最近进展

因为导电高分子结合了金属与塑料的优点,他们一直受到很大的关注。但是他们的应用受到一些因素的影响,包括他们的电学性质,稳定性和可加工性。近来,导电高分子的性能得到很大的提高。他们在许多领域的重要应用被论证,比如透明电极,可拉伸电极,神经界面,热电转换和能量储存。这篇文章简单综述了导电高分子的电导提高和它们在热电转换,超级电容器和电池的应用。     

Conjugated Molecules and Polymers in Secondary Batteries: A Perspective

Intrinsically conducting polymers constituting a subclass of macromolecules, as well as a still growing family of large, conjugated molecules, oligomers, and polymers, have attracted research interest for the recent decades. Closely corresponding to the fascination of these materials, combining typical properties of organic polymers and metallic materials, numerous applications have been suggested, explored, and sometimes transferred into products. In electrochemistry, they have been used in various functions beyond the initially proposed and obvious application as active masses in devices for electrochemical energy conversion and storage. This perspective contribution wraps up basic facts that are necessary to understand the behavior and properties of the oligo and polymers and their behavior in electrochemical cells for energy conversion by electrode reactions and associated energy storage. Representative examples are presented and discussed, and an overview of the state of research and development is provided. Particular attention is paid to stability and related aspects of practical importance. Future trends and perspectives are indicated.     

含Silole共轭聚合物的光电性能

Silole是一类含硅杂环戊二烯,近年来,由于其独特的结构特性、分子的可设计性及多样性,在光电领域得到越来越多研究者们的关注。某些silole小分子在有机发光二极管中用作发光层和电子传输层有出色的表现,但近来对含silole聚合物的研究也颇受重视,在聚集态诱导发光、化学传感器、聚合物发光二极管、聚合物太阳能电池、场效应晶体管中的应用相继有报道。因此silole是一类很有潜力的构筑光电功能材料的杂环化合物。本文根据其母体结构的不同对含silole的聚合物光电性能研究进展进行了综述。     

石墨烯基纤维储能器件的研究进展与展望

随着小型化、可穿戴等特征的智能电子以及物联网传感设备的发展,新型纤维状柔性化、小型化电化学储能器件已成为重要的研究方向。同时,对纤维材料和柔性储能器件的性能提出了更高的要求,如可任意弯折、可拉伸、可折叠、高储能密度等。石墨烯纤维具有独特的结构、优异的导电性、良好机械性能和电化学性质,已证明了是一种极具前景、高性能的新型纤维状柔性储能材料。目前,研究者已开发了多种石墨烯基纤维微观结构的调控策略来进一步改进其性能。本文首先系统总结了石墨烯基纤维的制备方法和其性能提升的策略,然后详细讨论其在柔性化纤维状超级电容器、金属离子电池、热电发电机、太阳能电池和相变材料等储能领域中的最新应用进展。最后,对石墨烯基纤维在能源存储和转换领域中存在的挑战和机会进行了展望。     

Design and construction of three-dimensional graphene/conducting polymer for supercapacitors

Three-dimensional graphene/conducting polymer(3DGCP) composites have received significant attention in recent years due to their unique structures and promising applications in energy storage.With the structural diversity of graphene and π-functional conducting polymers via rich chemical routes,a number of 3DGCP composites with novel structures and attractive performance have been developed.Particularly,the hierarchical porosity,the interactions between graphene and conducting polymers as well as the their synergetic effects within 3DGCP composites can be well combined and elaborated by various synthetic methods,which made 3DGCP composites show unique electrochemical properties and significantly improved performance in energy storage fields compared to other graphenebased composites.In this short review,we present recent advances in 3DGCP composites in developing effective strategies to prepare 3DGCP composites and exploring them as a unique platform for supercapacitors with unprecedented performance.The challenges and future opportunities are also discussed for promotion of further study.     

烯碳纤维基能源器件的研究进展

纤维状能源器件的研究极大地推动了可穿戴电子设备的快速发展。烯碳纤维主要包括碳纳米管纤维和石墨烯纤维,其微观组成单元具有独特的碳碳共轭分子形态,宏观结构具有高度可调控性,表现出高的比强度、优良的导电性和导热性、以及良好的机械柔韧性等,被广泛应用于先进能源器件的研究和开发,有效促进了柔性可穿戴电子器件的发展。本文综述了烯碳纤维基能源器件包括能量转换和储能器件等的研究和应用进展,具体介绍了烯碳纤维基太阳能电池、湿气发电机、热电发电机、超级电容器以及电化学电池等的最新成果,重点讨论了烯碳纤维基能源器件的制备方法和可穿戴应用,分析了烯碳纤维基储能及能量转换器件面临的问题和挑战,期望能够为未来高性能纤维基可穿戴能源器件的发展提供有价值的研究思路。     

2020 Roadmap on Carbon Materials for Energy Storage and Conversion

Carbon is a simple, stable and popular element with many allotropes. The carbon family members include carbon dots, carbon nanotubes, carbon fibers, graphene, graphite, graphdiyne and hard carbon, etc. They can be divided into different dimensions, and their structures can be open and porous. Moreover, it is very interesting to dope them with other elements (metal or non‐metal) or hybridize them with other materials to form composites. The elemental and structural characteristics offer us to explore their applications in energy, environment, bioscience, medicine, electronics and others. Among them, energy storage and conversion are extremely attractive, as advances in this area may improve our life quality and environment. Some energy devices will be included herein, such as lithium‐ion batteries, lithium sulfur batteries, sodium‐ion batteries, potassium‐ion batteries, dual ion batteries, electrochemical capacitors, and others. Additionally, carbon‐based electrocatalysts are also studied in hydrogen evolution reaction and carbon dioxide reduction reaction. However, there are still many challenges in the design and preparation of electrode and electrocatalytic materials. The research related to carbon materials for energy storage and conversion is extremely active, and this has motivated us to contribute with a roadmap on ‘Carbon Materials in Energy Storage and Conversion’.     

二维材料的凝胶化及电化学储能应用

近年来, 二维材料由于其独特的结构以及高电化学活性在储能领域中备受关注. 然而在实际应用中, 二维材料的“面-面”堆叠极大地限制了其性能的发挥. 凝胶化作为实现纳米材料液相三维组装的重要手段, 不仅可以有效减少二维材料的团聚, 保留更多活性位点, 同时形成的三维网络结构可以提供畅通的离子电子传输通道, 提升材料在储能应用中的实用性. 不仅如此, 二维材料的凝胶化在电极材料孔结构设计以及活性物质缓冲空间定制方面具有先天优势. 本文以氧化石墨烯凝胶化过程的方法和原理为基础, 综合评述了石墨烯及其它几类较典型的二维材料的凝胶化机制及方法, 梳理了其孔结构调控策略, 并对凝胶化二维储能材料的设计以及应用进行了归纳、 总结及展望.     

Recent Advances in Two-dimensional Materials for Electrochemical Energy Storage and Conversion

With the increased energy demand,developing renewable and clean energy technologies becomes more and more significant to mitigate climate warming and alleviate the environmental pollution.The key point is design and synthesis of low cost and efficient materials for a wide variety of electrochemical reactions.Over the past ten years,two-dimensional(2D)nanomaterials that graphene represents have been paid much attention as a class of the most promising candidates for heterogeneous electrocatalysts in electrochemical storage and conversion.Their unique properties,such as good chemical stability,good flexibility,and good electronic properties,along with their nanosized thickness and large specific area,make them exhibit comprehensively good performances for energy storage and conversion.Here,we present an overview on the recent advances in electrochemical applications of graphene,graphdiyne,transition metal dichalcogenides(TMDs),and MXenes for supercapacitors(SCs),oxygen reduction reaction(ORR),and hydrogen evolution reaction(HER).     

含吡啶基金属-超分子聚合物研究进展

金属-超分子聚合物是由金属离子与配体之间的相互作用形成的,是一类具有多样化几何构造和拓扑结构的新型功能高分子,它包括线型、接枝、交联、树枝等多种骨架结构.金属-超分子聚合物具有光、电、磁等特性,因此潜在的应用前景非常广阔,不仅可以在生物医用、分子器件、纳米材料,还可以在催化化学反应及吸附储氢等领域获得应用.由于吡啶基团为常用配体,且近年含吡啶基团的金属-超分子聚合物研究最为广泛,最为代表性,因此,本文以聚合物结构分类对近几年含吡啶基团的金属-超分子聚合物的研究进展作了简要综述.